CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum
The urgency of the paper is dictated by the problems that arise during the operation of power boiler drums. As a result of exposure to high pressure, elevated temperature, cyclic loads, and a corrosive environment, the formation of various defects and damages, such as cracks, fatigue failures, corro...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2025
|
| Online Zugang: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/336591 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Energy Technologies & Resource Saving |
Institution
Energy Technologies & Resource Saving| id |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-336591 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Energy Technologies & Resource Saving |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-07-31T14:07:20Z |
| collection |
OJS |
| language |
English Ukrainian |
| format |
Article |
| author |
Черноусенко, О. Ю. Рачинський, А. Ю. Баранюк, О. В. |
| spellingShingle |
Черноусенко, О. Ю. Рачинський, А. Ю. Баранюк, О. В. CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum |
| author_facet |
Черноусенко, О. Ю. Рачинський, А. Ю. Баранюк, О. В. |
| author_sort |
Черноусенко, О. Ю. |
| title |
CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum |
| title_short |
CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum |
| title_full |
CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum |
| title_fullStr |
CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum |
| title_full_unstemmed |
CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum |
| title_sort |
cfd simulation of thermal and thermally stressed state of the dkvr-10-13 boiler drum |
| title_alt |
CFD-модель теплового і термонапруженого стану барабану котла ДКВР-10-13 CFD-модель теплового і термонапруженого стану барабану котла ДКВР-10-13 |
| description |
The urgency of the paper is dictated by the problems that arise during the operation of power boiler drums. As a result of exposure to high pressure, elevated temperature, cyclic loads, and a corrosive environment, the formation of various defects and damages, such as cracks, fatigue failures, corrosion, and others, might occur. These defects can cause accidents and even catastrophic destruction, which threaten the safety and efficiency of boiler units. Therefore, it is important to carry out regular inspections, maintenance and repairs to ensure the safety and reliability of the equipment. Work on extending the period of safe operation of the boiler, which has served its intended service life, is carried out in accordance with the provisions of SOU 40.1-21677681-02:2009 approved in Ukraine, which recommend performing calculations on the strength of boiler units elements. These calculations can be performed using modern CFD methods of computational fluid dynamics. The presented paper is devoted to the CFD modeling of the thermoelastic state of the drum-separator installed above the DKVR-10-13 type boiler fuel tank, which is equipped with burners operating using jet-niche technology. The burners differed in the type of fuel supply. In one of the burners, fuel is supplied through rectangular slits, in the other one – through round holes arranged in a row. Air is supplied to both burners through rectangular slits. The research was carried out for two operating modes of the boiler unit - nominal and at 60% capacity with numerical methods using the ANSYS-Fluent application program package. The object of the study is a boiler drum of the DKVR-10-13 type with all weakening holes. The subject of the study is the processes of thermal strength of the shell structure, which is inherent in the boiler drum, as a result of the influence of pressure, temperature and heat flow from the heated gases moving into the fuel chamber of the boiler equipped with jet-niche burners both at nominal and 60% heat load. It was determined that the nominal wall thickness of 10 mm for the drum of the DKVR-10-13 boiler, both at the nominal and at 60% heat load, is quite sufficient to ensure the strength of the drum, since the difference between the highest and lowest temperature on the surface of the drum is within 30 °C. Moreover, during gas distribution through round holes, the temperature field of the drum wall is more uniform than in the case of fuel supply through rectangular slits. The maximum equivalent Mises stress that occurs between the rows of holes on the drum reaches 75 MPa. It was also determined that the maximum deformation of the drum walls was 1.1 mm, which could not lead to the destruction and rupture of the drum under internal pressure. |
| publisher |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journals.uran.ua/jme/article/view/336591 |
| work_keys_str_mv |
AT černousenkooû cfdsimulationofthermalandthermallystressedstateofthedkvr1013boilerdrum AT račinsʹkijaû cfdsimulationofthermalandthermallystressedstateofthedkvr1013boilerdrum AT baranûkov cfdsimulationofthermalandthermallystressedstateofthedkvr1013boilerdrum AT černousenkooû cfdmodelʹteplovogoítermonapruženogostanubarabanukotladkvr1013 AT račinsʹkijaû cfdmodelʹteplovogoítermonapruženogostanubarabanukotladkvr1013 AT baranûkov cfdmodelʹteplovogoítermonapruženogostanubarabanukotladkvr1013 |
| first_indexed |
2025-09-17T09:28:00Z |
| last_indexed |
2025-09-17T09:28:00Z |
| _version_ |
1850411896138629120 |
| spelling |
oai:ojs.journals.uran.ua:article-3365912025-07-31T14:07:20Z CFD Simulation of Thermal and Thermally Stressed State of the DKVR-10-13 Boiler Drum CFD-модель теплового і термонапруженого стану барабану котла ДКВР-10-13 CFD-модель теплового і термонапруженого стану барабану котла ДКВР-10-13 Черноусенко, О. Ю. Рачинський, А. Ю. Баранюк, О. В. The urgency of the paper is dictated by the problems that arise during the operation of power boiler drums. As a result of exposure to high pressure, elevated temperature, cyclic loads, and a corrosive environment, the formation of various defects and damages, such as cracks, fatigue failures, corrosion, and others, might occur. These defects can cause accidents and even catastrophic destruction, which threaten the safety and efficiency of boiler units. Therefore, it is important to carry out regular inspections, maintenance and repairs to ensure the safety and reliability of the equipment. Work on extending the period of safe operation of the boiler, which has served its intended service life, is carried out in accordance with the provisions of SOU 40.1-21677681-02:2009 approved in Ukraine, which recommend performing calculations on the strength of boiler units elements. These calculations can be performed using modern CFD methods of computational fluid dynamics. The presented paper is devoted to the CFD modeling of the thermoelastic state of the drum-separator installed above the DKVR-10-13 type boiler fuel tank, which is equipped with burners operating using jet-niche technology. The burners differed in the type of fuel supply. In one of the burners, fuel is supplied through rectangular slits, in the other one – through round holes arranged in a row. Air is supplied to both burners through rectangular slits. The research was carried out for two operating modes of the boiler unit - nominal and at 60% capacity with numerical methods using the ANSYS-Fluent application program package. The object of the study is a boiler drum of the DKVR-10-13 type with all weakening holes. The subject of the study is the processes of thermal strength of the shell structure, which is inherent in the boiler drum, as a result of the influence of pressure, temperature and heat flow from the heated gases moving into the fuel chamber of the boiler equipped with jet-niche burners both at nominal and 60% heat load. It was determined that the nominal wall thickness of 10 mm for the drum of the DKVR-10-13 boiler, both at the nominal and at 60% heat load, is quite sufficient to ensure the strength of the drum, since the difference between the highest and lowest temperature on the surface of the drum is within 30 °C. Moreover, during gas distribution through round holes, the temperature field of the drum wall is more uniform than in the case of fuel supply through rectangular slits. The maximum equivalent Mises stress that occurs between the rows of holes on the drum reaches 75 MPa. It was also determined that the maximum deformation of the drum walls was 1.1 mm, which could not lead to the destruction and rupture of the drum under internal pressure. Актуальність роботи підтверджується наявністю проблем, які виникають при експлуатації барабанів енергетичних котлів. Внаслідок впливу високого тиску, підвищеної температури, циклічних навантажень і корозійно-активного середовища можуть виникати різні дефекти і пошкодження, такі, як тріщини, втомні руйнування, корозія та інші. Це у змозі спричинити аварії та навіть призвести до катастрофічних руйнувань, які загрожують безпеці й ефективності роботи котельних агрегатів. З огляду на це для забезпечення безпеки й надійності роботи обладнання важливо проводити регулярні інспекції, технічне обслуговування й ремонт. Роботи з продовження терміну безпечної експлуатації котла, який відпрацював призначений строк служби, здійснюються відповідно до затверджених в Україні положень СОУ 40.1-21677681-02:2009 які рекомендують проводити розрахунки на міцність елементів котельних агрегатів і які можна виконати засобами сучасних CFD-методів обчислювальної гідродинаміки (Computation Fluid Dynamics). Представлена робота присвячена CFD-моделюванню терамонапруженго стану барабан-сепаратора, встановленого над паливнею котла типу ДКВР-10-13, яка оснащена пальниками, що працюють за допомогою струменево-нішевої технології. Пальники відрізнялися типом подачі палива. До одного з пальників паливо подається крізь прямокутні щілини, до іншого – через розташовані в ряд круглі отвори. Повітря в обидва пальники подається через прямокутні щілини. Дослідження виконувалося для двох режимів роботи котельного агрегату – номінального і на 60% потужності за допомогою чисельних методів при використанні пакета прикладних програм ANSYS-Fluent. Об’єктом дослідження є барабан котла типу ДКВР-10-13 з усіма ослаблюючими отворами. Предметом дослідження є процеси термічної міцності оболонкової конструкції, яка притаманна барабану котла, внаслідок впливу тиску, температури і теплового потоку від розжарених газів, що рухаються в паливні котла, оснащеної струменево-нішевими пальниками при номінальному й 60 %-му тепловому навантаженні. Визначено, що паспортної товщини стінки 10 мм для барабана котла ДКВР-10-13 як при номінальному, так і при 60% тепловому навантаженнях цілком достатньо, щоб забезпечити міцність барабану, оскільки різниця між найбільшою і найменшою температурою на поверхні барабана знаходиться в межах 30 °С. Причому при газороздачі крізь круглі отвори температурне поле стінки барабана є більш рівномірним, ніж у випадку подачі палива крізь прямокутні щілини. Максимальне еквівалентне напруження по Мізесу, що виникає між рядами отворів на барабані, досягає 75 МПа. Також визначено, що максимальна деформація стінок барабана становила 1,1 мм, що не зможе призвести до руйнації і розриву барабана під внутрішнім тиском. Актуальність роботи підтверджується наявністю проблем, які виникають при експлуатації барабанів енергетичних котлів. Внаслідок впливу високого тиску, підвищеної температури, циклічних навантажень і корозійно-активного середовища можуть виникати різні дефекти і пошкодження, такі, як тріщини, втомні руйнування, корозія та інші. Це у змозі спричинити аварії та навіть призвести до катастрофічних руйнувань, які загрожують безпеці й ефективності роботи котельних агрегатів. З огляду на це для забезпечення безпеки й надійності роботи обладнання важливо проводити регулярні інспекції, технічне обслуговування й ремонт. Роботи з продовження терміну безпечної експлуатації котла, який відпрацював призначений строк служби, здійснюються відповідно до затверджених в Україні положень СОУ 40.1-21677681-02:2009 які рекомендують проводити розрахунки на міцність елементів котельних агрегатів і які можна виконати засобами сучасних CFD-методів обчислювальної гідродинаміки (Computation Fluid Dynamics). Представлена робота присвячена CFD-моделюванню терамонапруженго стану барабан-сепаратора, встановленого над паливнею котла типу ДКВР-10-13, яка оснащена пальниками, що працюють за допомогою струменево-нішевої технології. Пальники відрізнялися типом подачі палива. До одного з пальників паливо подається крізь прямокутні щілини, до іншого – через розташовані в ряд круглі отвори. Повітря в обидва пальники подається через прямокутні щілини. Дослідження виконувалося для двох режимів роботи котельного агрегату – номінального і на 60% потужності за допомогою чисельних методів при використанні пакета прикладних програм ANSYS-Fluent. Об’єктом дослідження є барабан котла типу ДКВР-10-13 з усіма ослаблюючими отворами. Предметом дослідження є процеси термічної міцності оболонкової конструкції, яка притаманна барабану котла, внаслідок впливу тиску, температури і теплового потоку від розжарених газів, що рухаються в паливні котла, оснащеної струменево-нішевими пальниками при номінальному й 60 %-му тепловому навантаженні. Визначено, що паспортної товщини стінки 10 мм для барабана котла ДКВР-10-13 як при номінальному, так і при 60% тепловому навантаженнях цілком достатньо, щоб забезпечити міцність барабану, оскільки різниця між найбільшою і найменшою температурою на поверхні барабана знаходиться в межах 30 °С. Причому при газороздачі крізь круглі отвори температурне поле стінки барабана є більш рівномірним, ніж у випадку подачі палива крізь прямокутні щілини. Максимальне еквівалентне напруження по Мізесу, що виникає між рядами отворів на барабані, досягає 75 МПа. Також визначено, що максимальна деформація стінок барабана становила 1,1 мм, що не зможе призвести до руйнації і розриву барабана під внутрішнім тиском. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2025-07-31 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/336591 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 28 No. 2 (2025); 36-43 Проблемы машиностроения; Том 28 № 2 (2025); 36-43 Проблеми машинобудування; Том 28 № 2 (2025); 36-43 2709-2992 2709-2984 en uk https://journals.uran.ua/jme/article/view/336591/325238 https://journals.uran.ua/jme/article/view/336591/325239 Copyright (c) 2025 О. Ю. Черноусенко, А. Ю. Рачинський, О. В. Баранюк http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |